Двухблочная Игналинская АЭС, расположенная в Литве — это вторая полностью остановленная АЭС с РБМК (после Чернобыльской). Реакторы были окончательно заглушены здесь 31 декабря 2004 и 31 декабря 2009, и с тех пор идет вывод АЭС из эксплуатации (за этим эвфемизмом подразумевается разборка, захоронение радиоактивных остатков и зачистка промышленных сооружений до «зеленой лужайки»). Этот проект (вывода) — фактически пилотный для РБМК, и опирается на несколько ключевых технологических цепочек, из которых одна из самых важных — этот завод B234, испытания которого начались в мае 2017 года.


Игналинская АЭС

В отличии от Украины, у Литвы и особенно, у стоящего за идеей вывести из эксплуатации 20-летние реакторы Евросоюза, деньги на вывод есть, во всяком случае часть их. Тем не менее процесс вывода Ингалинской АЭС, довольно стройный на бумаге, уже превратился в мыльную оперу. Поскольку с 2019 года подобную работу придется проводить и Росатому (вывод 1,2 блока Ленинградской АЭС и затем — всех РБМК последовательно), интересно глянуть на технологии, решения и проблемы, возникшие вокруг Игналинки.

Интересный проект NASA/DOE ускользнул от меня при подготовке к предыдущим обзорам космических реакторов [1,2,3]. Это максимально легкий и простой вариант ядерного реактора, призванный заменить плутониевые РИТЭГи в дальних космических миссиях и энергоснабжении небольших баз астронавтов, во всяком случае, по замыслу создателей.

Проект интересен тем, что здесь отброшены многие условности в облике, которые довлеют в разных бумажных реакторах, а невысокий уровень сложности позволяет сделать конструкцию такой же простой, как у РИТЭГов, что, на самом деле сможет привести этот проект к успеху. Простая конструкция и правильная идеология позволяют проходить стадии разработки с очень высокой скоростью, не характерной для ковыряющихся десятилетиями проектов космических ядерных реакторов.


Концептуальный облик Kilopower, слева направо — радиаторы-холодильники, 2 сборки генераторов Стирлинга, радиационная защита и тепловые трубки, отражатель реактора из оксида бериллия (реактор внутри него).

Как метко выразился один человек, «В проекте ИТЭР, если в зале стоит табуретка, то седушка у нее обязательно из гафния со внутренними каналами охлаждения, а ножки из сплава тантала, причем одну везут из Японии, а три других — из США». Этот проект словно создан для того, что бы любое оборудование было рекордным и поражающим воображение.


Электрическая разводка системы электропитания магнитов ИТЭР, включая коммутационное оборудование.

Сегодня — небольшой рассказ о системах, которые будут быстро подключать и отключать сверхпроводящие катушки ИТЭР и об очередной инженерной сложности, тем более, что в марте месяце прошли квалификационные испытания устройств, выполняющих эту задачу.

Для начала — немножко об электрике магнитной системы ИТЭР. Международный токамак будет иметь 48 сверхпроводящих магнитов, а именно:

Популярный сайт околоатомных новостей World Nuclear News пишет про запуск (первую плазму) токамака ST40, принадлежащего частной английской компании Tokamak Energy. Новость довольно интересная, особенно если знать контекст, который я попробую и изложить.


Основатель Tokamak Energy Alan Sykes возле разреза ST-40 в масштабе 1 к 1.

Tokamak Energy (TE) основана в 2009 году (по соседству с крупнейшим в мире на сегодня токамаком JET), и с 2012 получило финансирование (на сегодня стартап собрал 35 миллионов долларов) на строительство серии токамаков, ведущих к энергетическому реактору. На фоне ИТЭР стоимостью 20+ миллиардов долларов, не ведущим к энергетическому реактору, смотрится странно? Давайте разбираться.

В 2003 году в Евросоюзе возник большой проект Desertec, представлявший тогдашнее видение о переводе Европы на рельсы возобновляемой энергетики. Основой “зеленой энергетики” ЕС должны были стать тепловые электростанции с концентрацией солнечной энергии, расположенные в пустыне Сахара, способные запасать энергию как минимум на вечерний пик потребления, когда обычная фотовольтаика уже не работает. Особенностью проекта должны были стать мощнейшие линии электропередач (ЛЭП) на десятки гигаватт, с дальностью от 2 до 5 тысяч км.


СЭС подобного рода должны были стать основной европейской возобновляемой энергетики.

Проект просуществовал около 10 лет, и затем был заброшен концернами-основателями, так как действительность Европейской зеленой энергетики оказалась совершенно другой и более прозаичной — китайская фотовольтаика и наземная ветрогенерация, размещаемая в самой Европе, а идея тянуть энергетические магистрали через Ливию и Сирию — слишком оптимистичной.


Планировавшиеся в рамках desertec ЛЭП: три основные направления с мощностью по 3х10 гигаватт (на картинке одна из более слабых версий с 3х5) и несколько подводных кабелей.

Однако, мощные ЛЭП возникли в проекте desertec не случайно (забавно, кстати, что площадь земли под ЛЭП в проекте получалась больше площади земли под СЭС) — это одна из ключевых технологий, которая может позволить ВИЭ-генерации вырасти до подавляющей доли, и наоборот: при отсутствии технологии передачи энергии на большие расстояния ВИЭ, вполне возможно, обречены на не более чем на долю в 30-40% в энергетике Европы.

В почему-то в России мало кто знает про реальное положение дел с использованием различной робототехники на аварийной площадке Фукусимской АЭС. У широкой публики сложился однозначный стереотип:



На самом деле в различных работах при ликвидации последствий аварии на Фукусимской АЭС (я, пожалуй, буду писать для краткости дальше ФАЭС) применялись и применяются сотни единиц различных телеуправляемых роботов. Масштаб использования телеуправляемых машин несопоставимо больше, чем на ЧАЭС, по тем простым причинам, что вся эта техника здорово развилась за последние 30 лет и потому, что авария на ФАЭС, более масштабна, чем на ЧАЭС.


Робот-пылесос, японская версия для Фукусимы.

В первой части я много рассказывал о том, как современные методы наблюдательной астрономии, завязанные на гигапиксельные камеры и суперкомпьютеры петафлопного масштаба, изменяют подход к астероидной опасности, переводя ее из теоретической в более-менее практическую плоскость.

Прежде чем поговорить о методах отклонения потенциальных импакторов, необходимо еще раз посмотреть на ситуацию с тем, какие из малых тел Солнечной системы представляют опасность. Для начала разобьем все малые тела, вращающиеся вокруг Солнца, на группы по орбитальным параметрам и выделим из них несколько групп — Околоземные Астероиды, Астероиды главного пояса, Кентавры, объекты пояса Койпера.


Крупнейший из потенциально опасных околоземных астероидов — 4179 Таутатис

Орбиту Земли в 99,5% случаев пересекают околоземные астероиды, орбита которых лежит где-то между поясом астероидов и внутренней частью Солнечной системы (очевидно, внутри орбиты Земли). Однако количественно это одна из самых малочисленных групп астероидов. Так, на сегодня известно около 15000 околоземных астероидов и более 800000 астероидов главного пояса. Однако орбиты астероидов главного пояса стабилизируются Юпитером и Ураном, и только в результате довольно редких столкновений достаточно большие обломки могут перейти на опасные орбиты. Поэтому, несмотря на большую численность, астероиды главного пояса не представляют значительной опасности Земле.

Проект

Если 2015 год для проекта международного термоядерного реактора ITER был полон драматизма и борьбы за спасение проекта, то про 2016 на его фоне сказать особо и нечего. Строительство 39 зданий и сооружений ИТЭР, по сути, стартовало именно в 2015 и продолжилось хорошим темпом в 2016. Расширяется производство компонентов будущего реактора. Отгремели баталии в парламентах Европы и США по поводу утверждения финансирования на 2017 год — помог именно заметный прогресс в управлении проектом в 2015. Все идет по плану.



Однако, даже на обзорном уровне, в 2016 году произошло несколько важных событий, которые стоит упомянуть.

Не совсем тематическая для меня статья, но мне показалось интересным рассказать про астероидную опасность. В принципе, это заезженная тема, но в последние годы постепенно обретает другое содержание, поэтому, думаю, будет интересно.

Импакт

Моделирование атмосферного взрыва Тунгусского метеорита. Современные оценки дают мощность этого импакта в 5..15 мегатонн.

Импактом называется попадание астероида (в принципе любого размера) в Землю, с последующим выделением кинетической его энергии в атмосфере или на поверхности. Чем мельче импакт по энергии, тем чаще он происходит. Энергия импакта является хорошим способом определить опасно ли космическое тело для земли или нет. Первый такой порог — это где-то 100 килотонн тротилового эквивалента энерговыделения, когда прилетающий астероид (который по входу в атмосферу начинает именоваться метеоритом) перестает ограничиваться попаданием в ютьюб, а начинает приносить беды. Хорошим примером такого порогового события является челябинский метеорит 2014 года — небольшое тело характерными размерами 15...20 метров и массой ~10 тысяч тонн своей ударной волной нанесло повреждений на миллиард рублей и поранило ~300 человек.

Q: Что такое ITER?

A: ITER (ИТЭР, International Thermonuclear Experimental Reactor) — экспериментальный термоядерный реактор на базе концепции токамака. Проектирование в несколько подходов (разных вариантов) шло с 1992 по 2007 год, сооружение — с 2009 по настоящее время (и продолжается). Токамак ИТЭР будет примерно вдвое больше предшественников по всем размерам, примерно в 10 раз объемнее и тяжелее, в 15 раз дороже, и в 25 раз мощнее с точки зрения термоядерной мощности.



Q: Какие у него цели?

A: Набор основных задач ИТЭР можно ранжировать так:

• Продемонстрировать возможность управляемого термоядерного синтеза с временем горения и мощностью промышленного масштаба.
• На практике столкнуться и решить инженерные вопросы создания термоядерного реактора промышленного масштаба — при всей банальности это одна из важнейших и сложнейших задач ИТЭР, без которой невозможно понимание перспектив развития термоядерных электростанций в целом.
• Исследовать оставшиеся вопросы физики плазмы токамаков, в т.ч. возможно найти какие-то ее особенности, которые упростят создание промышленных термоядерных реакторов.
• На практике разработать и опробовать технологию размножающих тритий бланкетов — совершенно необходимая деталь для токамаков, ориентирующихся на термоядерную реакцию слияния дейтерия и трития.
• Накопить опыт организации строительства и эксплуатации термоядерных реакторов/электростанций

Q: А какая мощность у ИТЭР?

Спросите себя, “почему ИТЭР строится так долго”? Если вы честно читали мои заметки по этому проекту, то первое что приходит в голову — “это запредельно сложная установка”.


Одна из двух десятков диагностических сборок реактора ИТЭР о которых сегодня пойдет речь

Сложность инженерных сооружений — трудноизмеримая субстанция, в отличии, к примеру, от алгоритмов. Исторически, человечество непрерывно усложняло свои сооружения, машины и системы, и боролось с возрастающей сложность как путем декомпозиции на более мелкие работы и выполнения их параллельно, так и стандартизации полученного опыта. Первый подход можно проиллюстрировать, например вот так: здание проектируется не путем отрисовки готовых кусочков со всеми элементами (структура, электрика, вентиляция, фасады, водяные коммуникации и т.п.), а параллельно из общей концепции разными людьми. Второй подход проявляется в использовании стандартных компонентов, проработке готовых алгоритмов и решений (“для медного провода проводки используется максимальное значение тока 8-10 ампер/мм2” — не надо каждый исследовать вопрос, какой ток не вызовет пожара, это уже положено в нормы и правила разработчика).

Если вспоминать практическую пользу от открытия цепной реакции деления урана, то сразу после оружия и энергетики, пожалуй, окажется методы ядерной медицины. Ядерные явления используются как в диагностике, так и лучевой терапии. Я хотел бы на примере радиоактивного изотопа технеция ^99mTc показать, как ядерные реакторы помогают с диагностикой онкологии.


Томографические срезы интенсивности гамма-излучения меченого ^99mTc препарата.

Когда появятся термоядерные электростанции? Ученые чаще всего говорят, что-то вроде “через 20 лет мы решим все принципиальные вопросы”. Инженеры из атомной индустрии говорят про вторую половину 21 века. Политики рассуждают про море чистой энергии за копейки, не утруждая себя датами. Экономисты говорят — никогда.


Создатели первого в мире токамака Т-1 Арцимович, Явлинский тоже обещали электростанции через 20 лет.

Люди склонны давать прогнозы, экстраполируя имеющийся опыт. В случае попыток создания коммерческой термоядерной электростанции опыт отрицательный — 60 лет усилий привели к половинчатому успеху — что-то есть, но это явно не то что можно использовать каждый день для получения электроэнергии. Интуиция говорит, что если за 60 лет мы не преодолели эту стену, то и в будущем чего-то хорошего ждать не стоит.

Реакторы РБМК известны, прежде всего по Чернобыльской аварии. В свое время идея использовать зарекомендовавшую себя технологию промышленных реакторов-наработчиков плутония для создания простого ядерного энергоблока казалась вполне здравой и экономичной, особенно на первых этапах развития ядерной энергетики, ведь уже к 2000 году в СССР планировалось построить 400 гигаватт быстрых натриевых реакторов.

Однако реальность оказалась совсем не такой — простота обернулась катастрофичными просчетами в конструкции, а эксплуатировать эти реакторные установки приходится дольше первоначальных планов.

У реакторного графита есть такая неприятная особенность, что после набора определенной дозы нейтронного облучения он начинает распухать. На первом блок Ленинградской АЭС, запущенный в конце 1973 года в середине 2000х начали наблюдать, как увеличиваются и гнутся графитовые блоки кладки. К 2012 процесс подошел к пределам безопасной эксплуатации — прогиб некоторых технологических каналов превысил 60-70 мм (на длине 18 метров), некоторые графитовые блоки лопнули.

Атомная энергетика заслуженно считается одной из самых консервативных отраслей, достигшей вершины пути на своей S-кривой. Последние 25 лет внешний наблюдатель не заметил бы изменения в ключевых технология — все те же сборки из тепловыделяющих элементов, греющие или кипятящие воду, с преобразованием тепловой энергии в электрическую. Тем удивительнее тот факт, что свое будущее атомная энергетика видит в 6 революционных концепциях, каждая из которым по своему сдвигает парадигму атомной энергетики в ту или иную сторону.


Корпус исследовательского реактора на расплаве солей MSRE, 70е

Важен и тот факт, что все эти концепции возникли не сегодня, а на заре рождения атомной индустрии и проиграли в конкурентной борьбе за звание отраслевого стандарта реакторам с водой под давлением (PWR в западной терминологии или BBЭР в отечественной). Однако, как и в случае с электромобилями, постепенное накопление суммы технологий может вернуть на пьедестал забытых героев зари атомного века.

Наверное нет ни одного поля человеческой деятельности, столь полной разочарований и отвергнутых героев, как попытки создать термоядерную энергетику. Сотня концепций реакторов, десятки команд, которые последовательно становились фаворитами публики и госбюджетов, и наконец вроде определившийся в победитель в виде токамаков. И вот опять — достижения новосибирских ученых возрождают интерес по всему миру к концепции, жестоко растоптанной в 80х. А теперь подробнее.


Открытая ловушка ГДЛ, на которой получены впечатляющие результаты

Одним из самых интересных строящихся сегодня научных мегаинструментов является Европейский Расщепительный Источник (European Spallation Source — ESS), который возводится сейчас в шведском городе Лунд. Этот ускорительный источник нейтронов входит в “великолепную четверку” новых установок связанных с нейтронной физикой: реакторов МБИР, JHR и ускорительных IFMIF/EVEDA и ESS.


Один из архитектурных концептов здания лаборатории ESS

Думаю, мало кто в курсе, что вся возобновляемая энергетика сегодня зависит от работы исследовательских ядерных реакторов. Речь идет о получаемом в нем ядерно-легированном кремнии (ЯЛК), который используется для производства высоковольтных силовых полупроводников, без которых ВИЭ невозможны. А теперь подробнее.


12-пульсные выпрямители (висят слева) ультравысоковольтных линий электропередачи тоже являются важными потребителями ядерного-легированного кремния.

2015 год стал знаковым для проекта международного термоядерного реактора. Новый руководитель ИТЭР Бернар Биго (сменивший в 2015 Осаму Мотоджиму) сумел переломить тренд постоянного роста отставания от сроков и ощущения, что проект развалится не дойдя до запуска. В ушедшем году волевым усилием нового директора были закончены чертежи зданий комплекса и переданы строителям, что помогло тем в разы нарастить темп работ на площадке. Тем временем, долго разворачивавшаяся промышленность, в 2015 году вышла на крейсерскую скорость, и первые элементы гигантской машины достигли площадки в Кадараше. Наконец, третий важный компонент проекта — разработка сверхвысокотехнологичных элементов машины к настоящему моменту показывает успех по большинству направлений, и снимает все больше рисков того, что производство упрется в технологические тупики.

… или ликбез про Замкнутый Ядерный Топливный Цикл (ЗЯТЦ).

Две самых перспективных и одновременно критикуемых концепция ядерной энергетики — это управляемый термояд и замыкание ядерного топливого цикла. Шестьдесят с лишним лет прошло с появления этих энергетических идей, но первая из них так и не сняла лабораторный халат, а вторая осталась в виде единичных опытов “попробовали и бросили”. Но если термоядерная энергетика — это особая история, с коварством природы и слабостью человека в сюжете, то ЗЯТЦ пребывает в зачаточном состоянии по совсем другим причинам.


Таблетки из смеси диоксида урана и плутония — основа сегодняшнего ЗЯТЦ